随着人类对空间探索的不断发展，执行各种任务的航天器的数量也日趋庞大。航天器的在轨服务技术显得格外重要，当航天器出现能源不足、技术滞后或者是软硬件故障等问题时，很有可能导致因卫星功能丧失而报废。故提出面向在轨服务技术的航天器在轨更换模块的设计，通过在轨更换和升级模块、补充消耗品等操作，能够有效延长航天器的使用寿命，保持任务的持续性。本文设计了一种在轨更换模块并对模块进行了静力学和动力学分析，验证设计的合理性。本文首先从任务需求和设计准则出发，对在轨更换模块进行方案设计，其中结构设计主要包括模块结构外壳的设计、类锥-杆式定位装置的设计和基于类矩形螺纹叶片的锁紧装置设计；锁紧装置中采用具有停电自锁的超声电机，解决了锁紧装置断电后锁紧松动的问题，并且具有结构简单和质量轻的优点；还简要对模块的防冷焊效应和抗振性设计进行了研究。在轨更换模块在随航天器一起发射入轨的过程中，要经历超重和强振动载荷的冲击，本文对所设计的在轨更换模块采用ANSYS Workbench进行了有限元力学性能分析。对在轨更换模块整体进行静力过载分析，校核强度满足要求；分别对模块整体和模块箱体进行了模态分析，获得其固有频率，与火箭发动机振动频率进行比对，通过加强定位杆的刚度使得模块的固有频率不在共振频率范围之内；就模块在发射阶段和在轨工作过程中的振动情况进行了谐响应分析，校核了模块的抗振性。研究了动力学分析软件ADAMS的动力学建模理论和接触碰撞力模型，并在ADAMS中建立在轨更换模块的动力学模型，通过仿真分析，验证了模块在虚拟装配过程中的可安装性；对定位过程和锁紧过程中的接触碰撞力进行分析，验证了动力学模型的正确性；对影响模块安装的横向位置偏差和定位锥锥角两大因素进行了仿真分析，得出了具有工程指导意义的结论。